吸附技术在水处理中的应用

吸附技术在水处理中的应用【摘要】：吸附技术是水处理中非常重要的一项技术。本文介绍了吸附理论的历史及原理，着重分析在水处理中应用的几种吸附技术，同时展望了水处理中吸附技术的发展。【关键字】：吸附技术水处理应用一、吸附理论概述（1）吸附理论的历史早在公元前5世纪，古医学创始人Hippocerates就知道用炭可除去腐败伤口的污秽气味[1]，并成为了运用吸附技术的鼻祖。但是，真正意义上的现代吸附理论则诞生于西方发达国家，先后大约经历了近250年时间的发展。随着科学技术的发展，人们已经不满足于宏观吸附规律的探讨，进而转向了分子水平上了解吸附机制。20世纪60年代起相继有多种探测表面成分和表面结构的实验手段问世，使吸附研究步入了微观的层次[1]。（2）吸附理论吸附（adsorption）作用实质上是一种界面现象。大多数有实际应用价值的都是界面层浓度大于体相中的浓度，称为正吸附[1]。吸附主要分为两种情况：在物理吸附过程中物质不改变原来的性质，因此吸附能小，被吸附的物质很容易再脱离，如用活性炭吸附气体，只要升高温度，就可以使被吸附的气体逐出活性炭表面。化学吸附（chemicaladsorption），在吸附过程中不仅存在引力，还由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，就能形成吸附化学键的吸附作用。二、水处理中的吸附技术能有效地从气相或液相中吸附一种或几种成分的固体物质称为吸附剂。它们的共同特点是有较大的比表面积、适宜的孔结构和表面结构，对吸附质有强烈的选择性吸附能力等。（1）活性炭吸附技术活性炭是一种应用最为广泛的吸附剂，它既能从极性溶剂中（如水）吸附非极性或弱极性有机物，又能吸附极性物质，这是由于活性炭表面性质所决定的。活性炭是用烟煤、果壳或木屑等多种原料经碳化和活化过程制成的黑色多孔颗粒，其比表面积高达1000m2/g，其中绝大部分是颗粒内部的微小隙表面，具有良好的吸附性能，是一种优良的吸附剂。1）粉状活性炭粉状活性炭在饮用水处理方面用途极为广泛。主要应用领域包括：a.生活饮用水的嗅、味、酚、卤代甲烷(THMs)等和余氯的去除。b.用于制备高纯水的预处理，使自来水进行离子交换前，预先去除水中的有机物、微生物、胶体与余氯，以防离子交换树脂被有机物等污染。c.用于一些电镀、印染、炼油等废水的三级处理，使废水二级处理后还不能被生物降解去除的某些余留有机物，用活性炭吸附去除，以保护饮用水源。粉末活性炭在传统的净水工艺中的应用；PAC的投加点可以有多处，并各有利弊：在滤池进水口投加，活性炭能有效利用，但炭粒有可能穿透滤层进入清水池或配水系统中，使出水微微发黑；若在滤池前另设吸附沉淀池，则增加了投资和占地[2]。同济大学的蒋峰曾研究表明：粉末活性炭的最佳投加点是在絮凝中段。这样可有效避免吸附与混凝的竞争，并使粉末活性炭附着于矾花的表面而易分离[3]。但是粉末活性炭难以吸附产生三卤甲烷的前体物质等大分子有机物，并且其最大的缺点就是无法再生。2）颗粒活性炭当需要连续、大量地投加活性炭，以消除嗅、味和有机污染的情况下，使用粒状活性炭(GAC)比粉末状活性炭进行吸附处理将更经济有效。虽然采用粒状活性炭必须要新建一个活性炭吸附池(或塔)，增加基建费用，但粒状活性炭可以再生使用，所以目前使用较多的还是粒状活性炭。一般活性炭滤池有三种使用方式：①将粒状活性炭替换部分砂滤池中的砂粒，成为双层滤料滤池。这种方法仅替换部分砂层，可以迅速投产使用，但换炭较困难，只可作应急的有效措施。②将砂滤池全部换成活性炭滤池，起吸附兼过滤的作用。③在砂滤后面再建一个独立的活性炭滤池。第三种是最佳的方式，因为这种方式可以避免一些悬浮物对活性炭孔隙的堵塞，可以有效地利用活性炭的吸附性能，充分发挥活性炭对有机物、杀虫剂、酚、嗅、味的去除作用。目前美国、荷兰、日本水厂大多采用这种形式。3）臭氧－活性炭粒状活性炭在饮用水安全领域也有着广泛的应用。随着人们对健康的关心，人们关注水中采用氯消毒后产生的三卤甲烷的致癌性，科学家对饮用水如何才能更安全卫生做了大量的研究工作[2]。经研究，活性炭除了对水中嗅、味、ABS等有机物去除效果良好外，对三卤甲烷也有一定的去除效果，但对产生三卤甲烷的前体物质的去除效果不理想，所以在单独采用粒状活性炭吸附时，一些国家采用了先预氯化，再用活性炭吸附，最后用臭氧消毒，并加少量氯到给水管网中的方法来控制三卤甲烷的含量。清华大学的刘军等就曾经研究过运用臭氧-活性炭工艺去除饮用水中微量邻苯二甲酸酯(PhthalateEsters,PAEs)的可行性[4]。（2）金属氧化物和黏土矿物的吸附技术有些工业废水中含有无机阳离子，其中许多对人体和环境有害无益，而且采用常规的活性炭等吸附剂处理效果不佳。金属氧化物和黏土矿物在一定PH值的介质中常带有某种电荷，有些在中性水中就带有负电荷，依靠电性作用应对无机阳离子有良好的吸附能力。实际上无机阳离子在荷电固体表面上的吸附存在着多种形式。根据众多研究者的研究证实，活性氧化铝对水中的As(Ⅴ)、Se(Ⅵ)、P(Ⅴ)和F-等无机离子有非常好的去除效果。对砷的去除以吸附为主。另外，由于磷酸根在铝氧化物表面上的吸附很强，且较Cl-、SO2-4、NO-3和CO2-3等离子具有更高的吸附选择性，因此可用于去除河流、湖泊和海水等天然水体中的磷等。（3）生物吸附技术生物吸附技术作为一种新兴的吸附技术，其吸附的机理十分复杂，还尚未研究透彻。活细胞吸附分为两个阶段：第一阶段与代谢无关，为生物吸着过程，在此过程中，金属离子可能通过配位、螯和、离子交换、物理吸附及微沉淀等作用中的一种或几种复合至细胞表面。第二阶段为生物积累过程，在此阶段中金属将被运送至细胞内。已提出的金属运送机制有脂类过渡氧化、复合物渗透、载体协助及离子泵等。生物吸附法是一项处理重金属离子废水污染的新技术，与传统技术相比，具有以下优点：(1)投资少，运行费用低，无二次污染；(2)处理效率高，且在低浓度下，金属可以被选择性地去除；(3)pH值和温度条件范围宽(40～90℃)。（4）其他吸附技术水处理中的吸附技术还包括有沸石吸附、壳聚糖类吸附、腐植酸类吸附等等技术。不同的方法适用于不同的水质类型的处理工艺，也存在着各自不同的有缺点。三、水处理中吸附技术的发展制约吸附法发展的瓶颈是二次污染问题，应重视吸附后的处理研究。如有机膨润土使用中表面活性剂的溶出问题，饱和了重金属离子的吸附剂洗脱再生时流出液的处理问题，重金属的回收问题，废渣的处理问题等，把这些问题解决了，将吸附法变为绿色水处理技术，才能在环境保护中发挥更大的作用。在工业废水的处理中，研究主要集中于新型吸附剂的研究与开发，其中天然材料吸附、改性材料吸附、生物吸附、硅微囊吸附技术和纳米技术等已经渐渐成为了研究热点，并有望在未来得以突破。参考文献：[1].赵振国.吸附作用应用原理.化学工业出版社，北京，2005.9，第一版[2].陈楚玉.活性炭在污染水源净化中的应用.广西工学院学报，1997，8(1):82～85[3].蒋峰.粉末活性炭处理微污染原水技术研究.给水排水，1996，22(2)[4].刘军，王珂等.臭氧-活性炭工艺对饮用水中邻苯二甲酸酯的去除.环境科学，2003，24(4):77～80